隔水管单元系统、钻井系统和用于钻井系统的方法

摘要

一种隔水管单元系统，其包括：隔水管单元部件，其具有通道，并包含用于发送第一超声信号来获得第一超声数据的第一超声模块以及用于发送第二超声信号来获得第二超声数据的第二超声模块，其中，所述第一超声信号的波束方向垂直于所述通道的轴线，所述第二超声信号的波束方向倾斜于所述通道的所述轴线；及处理模块，用于接收所述第一超声数据和所述第二超声数据，并获得第一信息和第二信息。还描述了一种钻井系统和用于钻井系统的方法。

说明书

技术领域

本发明通常涉及隔水管单元系统、钻井系统和用于钻井系统的方法。

背景技术

对于来自地下地层的碳氢化合物的勘探和开采已经进行了长达数十年。因老化陆基开采井的受限的产率，对于来自海底井孔的碳氢化合物回收越发关注。通常，为了钻探海上井孔，附于钻柱(drill pipe)的可旋转的钻头(drill bit)被用于开凿海底之下的井孔。钻柱允许从表面位置(通常，从海上平台或钻井船)对钻头进行控制。此外，部署隔水管(riser)以将表面处的平台连接到海底上的井口。钻柱穿过隔水管从而将钻头引导到井孔。

在钻井期间，钻头旋转，同时钻柱传递来自表面平台的必要的功率。同时，钻井流体从表面平台通过钻柱循环至钻头，并然后通过钻柱和套管(casing)或隔水管之间的空间返回到表面平台。钻井流体保持静压以抗衡来自井孔的流体压力，并在操作期间对钻头进行冷却。另外，钻井流体与在开凿井孔期间挖掘的材料混合，并将材料运载到表面以进行处理。

在某些情况下，从地层进入井孔的流体压力可高于钻井流体的压力。这可能导致不期望的流体涌入到井孔中，在产业中被称为“井涌”。在一些情况下，发生井涌导致潜在的毁灭性的设备失效和伴随而来的对钻井操作者和环境的潜在伤害。

井孔操作员对这样的不期望的涌入而带来潜在毁灭性保持警觉，并在海面处连续地监视钻井流体的流入和流出，以检测井涌。然而，因传统装置的体积和复杂性而难以采用传统的装置来监视表面平台中的钻井流体。此外，在井孔处发生流体的扰动的时刻与在海面处检测到扰动的时刻之间存在相对长的时间(例如，数十分钟)，即，当在海面处的操作者得到井涌警告时，可能已经发生了井涌。因此，尽早检测到井涌是数十年来期望的目标。此外，防喷器(blow out preventer，以下简称“BOP”)通常在检测到井涌风险时被使用来封井或剪切(shear)所述钻杆。然而，钻杆的一些部位可能难以剪切，因而可导致BOP无法防止井涌。

因此，期望提供新的和改进的系统和方法来监控返回自井孔的流体和钻杆位置。

发明内容

在一方面中，本发明的具体实施方式涉及一种隔水管单元系统，其包括：隔水管单元部件，其具有通道，并包含用于发送第一超声信号来获得第一超声数据的第一超声模块以及用于发送第二超声信号来获得第二超声数据的第二超声模块，其中，所述第一超声信号的波束方向垂直于所述通道的轴线，所述第二超声信号的波束方向倾斜于所述通道的所述轴线；及处理模块，用于接收所述第一超声数据和所述第二超声数据，并获得第一信息和第二信息。

在另一方面中，本发明的具体实施方式涉及一种钻井系统，其包括：隔水管；钻杆，用于将钻井流体引导到井孔；隔水管单元部件，其与所述隔水管连接，所述隔水管与所述隔水管单元部件具有通道，所述通道用于容纳所述钻杆，并允许返回自所述井孔的流体通过由所述隔水管单元部件和所述钻杆形成的环形空间，所述隔水管单元部件包含用于发送第一超声信号来获得第一超声数据的第一超声模块以及用于发送第二超声信号来获得第二超声数据的第二超声模块，其中，所述第一超声信号的波束方向垂直于所述通道的轴线，所述第二超声信号的波束方向倾斜于所述通道的所述轴线；及处理模块，用于接收所述第一超声数据和所述第二超声数据，并获得与所述钻杆有关的第一信息和与所述返回自井孔的流体有关的第二信息。

在又一方面中，本发明的具体实施方式涉及一种用于钻井系统的方法，其包括：使流体通过由所述钻井系统的钻杆和隔水管单元部件形成的环形空间；发送第一超声信号来获得第一超声数据；发送第二超声信号来获得第二超声数据，其中，所述第一超声信号的波束方向垂直于所述隔水管单元部件的轴线，所述第二超声信号的波束方向倾斜于所述隔水管单元部件的所述轴线；及基于所述第一超声数据和所述第二超声数据，并获得与所述钻杆有关的第一信息和与所述流体有关的第二信息。

附图说明

参考附图阅读下面的详细描述，可以帮助理解本发明的特征、方面及优点，其中：：

图1是根据本发明一个实施例的隔水管单元系统的示意图；

图2是根据本发明一个实施例的隔水管单元系统和通过所述隔水管单元系统的通道的钻杆的示意图；

图3是根据本发明一个实施例的多组换能器围绕所述隔水管单元部件的示意图；

图4是根据本发明一个实施例的钻井系统的示意图；及

图5是根据本发明一个实施例的钻井系统的方法的示意性流程图。

具体实施方式

以下将描述本发明的一个或者多个具体实施方式。首先要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，或者为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本发明公开的内容不充分。

除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中使用的“第一”或者“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或者”包括所列举的项目中的任意一者或者全部。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。

图1是根据本发明一个实施例的隔水管单元系统11的示意图。隔水管单元系统11包括隔水管单元部件101和处理模块102。

隔水管单元部件101具有通道14，并包含第一超声模块111和第二超声模块112。第一超声模块111向通道14发送第一超声信号并获得第一超声数据。所述第二超声模块112向通道14发送第二超声信号并获得第二超声数据。第一超声信号的波束方向301垂直于通道14的轴线402，第二超声信号的波束方向302倾斜于通道14的轴线402。在此，所述“垂直”包括“精确垂直”和“大致垂直”，比如波束方向301和轴线402形成的角度的范围可为70°-110°。在一些实施例中，波束方向301与轴线402的径向线(未示出)所形成的角度小于20°。在一些实施例中，波束方向302和轴线402所形成的角度的范围可为25°-65°。

当穿过两种介质的界面时，超声信号的波束方向可发生一定的改变。根据本实施例的所述第一超声信号的波束方向301，表示直接来源于第一超声模块111且几乎未经反射和折射的第一超声信号的波束方向，比如未曾穿过两种介质的界面的第一超声信号的波束方向。在一些实施例中，所述第一超声信号由第一超声模块111的换能器发送，波束方向301可为换能器的方向，如换能器轴线的方向。在一些实施例中，管壁110中的第一超声信号的波束方向几乎与波束方向301相同。类似地，根据本实施例的所述第二超声信号的波束方向302，表示直接来源于第二超声模块112且未经反射和折射的第二超声信号的波束方向。在一些实施例中，管壁110中的第二超声信号的波束方向几乎与波束方向302相同。

所述隔水管单元部件101可包括单一的隔水管单元(riser joint)或者多个隔水管单元，如包括通过适配器互相连接的两个隔水管单元，或包括三个隔水管单元且邻近的隔水管单元相互连接。在一些实施例中，第一超声模块111和第二超声模块112设置在同一个隔水管单元上。在一些实施例中，第一超声模块111设置在一个隔水管单元上且第二超声模块112设置在另一个隔水管单元上，即第一超声模块111和第二超声模块112分别设置在两个互相连接的隔水管单元上。在一些实施例中，第一超声模块111设置在一个隔水管单元上且第二超声模块112设置在多个隔水管单元上，如所述第二超声模块112包括多组分别设置在多个隔水管单元上的换能器。

请参照图2，在钻井操作中，钻杆13穿过通道14并将钻井流体15引导至井孔(图2未示出)，且来自所述井孔的流体16穿过环形空间104，所述环形空间104由钻杆13和隔水管单元部件101形成。尽管图2示出的钻杆13位于通道14的中间位置，但在钻井操作中，钻杆13可位于所述通道14的任何位置。

由于由换能器122发送的第一超声信号的波束方向301垂直于通道14的轴线402，即波束方向301很有可能在钻井操作中垂直于钻杆13，被钻杆13反射的第一超声信号的一部分被第一超声模块111接收，因此第一超声模块111获得的第一超声数据包括与钻杆13相关的信息。

在钻井操作中，由于流体16包括钻井流体15和物料的混合物，故返回自井孔的流体16常常会包括颗粒(未示出)，如钻井过程中挖掘的包含压碎或切割的岩石的钻屑。被这些颗粒反射的第二超声信号的一部分由第二超声模块112接收，因此第二超声模块112获得的第二超声数据包括与流体16相关的信息。并且，波束方向302倾斜于轴线402有利于获得与流体16相关的更优的信息。

请参照图3，在一些实施例中，第一超声模块111包括多个围绕隔水管单元部件101的换能器121，且第二超声模块112包括多组换能器122，例如，包括两组换能器121且每一组换能器均围绕隔水管单元部件101。为了简洁起见，第一超声模块111的多个换能器中仅有一个换能器被图示以编号121，第二超声模块112的多组换能器的每组换能器中仅有一个换能器被图示以编号122。

在一些实施例中，换能器121中的每个换能器均以垂直于轴线402的波束方向301发送第一超声信号，且多组换能器122中的每个换能器均以倾斜于轴线402的波束方向302发送第二超声信号。

请继续参照图1和图2，处理模块102接收第一超声数据和第二超声数据，并获得第一信息和第二信息。在一些实施例中，处理模块102与隔水管单元部件11集成在一起。在一些实施例中，所述处理模块102封装在电器柜(E-POD，electrical cabinet)内。在一些实施例中，所述电器柜包括其他电子模块，如用于与第一超声模块111、第二超声模块112、处理模块102等接收和发送信息的收发器等。在一些实施例中，处理模块102可由电池、水下电源设备、相邻或相关设备(如BOP)供电。

在一些实施例中，第一信息与钻杆13相关。在一些实施例中，第一信息包括但不仅限于钻杆13的位置、直径等。在一些实施例中，处理模块102基于第一信息，生成对钻杆13的不可剪切的部分的警告；如基于第一信息实时监测到不可剪切部分时，处理模块102产生警告。所述不可剪切的部分为钻杆13的不易被BOP剪切的部分。在一些实施例中，所述不可剪切部分可包括但不仅限于所述钻杆13的接头(joint)，且在一些实施例中，处理模块102基于钻杆13的直径来监测不可剪切的部分。

在一些实施例中，第二信息与通过环形空间104的流体16相关。在一些实施例中，第二信息包括但不仅限于流体16的流速(flow rate)、速度剖面(velocity profile)、属性(property)等。

在一些实施例中，所述处理模块102基于第一超声数据获得第一信息，并基于第二超声数据获得第二信息。如在之前的介绍中所述，在钻井操作中，由第一超声模块111获得的第一超声数据可包括与钻杆13相关的信息，由第二超声模块112获得的第二超声数据可包括与流体16相关的信息，因而，处理模块102处理第一超声数据以获得第一信息，并处理第二超声数据以获得第二信息。在一些实施例中，处理模块102以第一算法处理第一超声数据来获得第一信息，并以第二算法处理第二超声数据来获得第二信息。需要说明的是，第一超声数据可能还包括与流体16相关的信息，且第二超声数据可能还包括与钻杆13相关的信息，但与钻杆13相关的更优的信息常常基于第一超声数据来获取，且与流体16相关的更优的信息常常基于第二超声数据来获取。

在一些实施例中，处理模块102基于第一超声数据和第二超声数据获取第一信息。在一些实施例中，超声模块102通过如第二算法来处理第二超声数据以获取第二信息，并通过如第一算法来处理第二信息和第一超声数据以获取第一信息。也即，基于第二算法获得的第二信息被提供给第一算法以获得第一信息。

在一些实施例中，所述处理模块102基于第一超声数据和第二超声数据获得第二信息。在一些实施例中，超声模块102通过如第一算法来处理第一超声数据以获得第一信息，并通过如第二算法来处理第一信息和第二超声数据以获得第二信息。也就是说，基于第一算法获得的第一信息被提供给第二算法以获得第二信息。

钻杆13和所述流体16在所述通道14内相互影响。因此，同时基于第一超声数据和第二超声数据来获得第一信息是有利的，且同时基于第一超声数据和第二超声数据来获得第二信息是有利的。例如，包含速度剖面的第二信息可在一定程度上指示钻杆13的位置和/或直径，且持续获得钻杆13的位置有利于获得更精准的第二信息，如有利于建立环形空间104内的流体16的动态模型。

在一些实施例中，处理模块102与隔水管单元部件101集成在一起。在一些实施例中，处理模块102与其他电子模块一起封装在E-POD内，且E-POD与隔水管单元部件101集成在一起。在一些实施例中，隔水管单元部件101和处理模块102被配置安置在海面下。将隔水管单元部件101和处理模块102集成在一起降低了成本，并提升了在海底环境中的可靠性。

根据本实施例的隔水管单元系统11可同时监测自井孔返回的流体16和钻杆13的位置，且在所述隔水管单元系统11位于海下时，海下监测也得以实现。此外，如果隔水管单元系统11设置在海床上或邻近于海床，井涌可被更早的监测到，且鉴于海床附近更少的震动，可实现更高的稳定性。

图4示出了根据本发明的实施例的钻井系统100的示意图。钻井系统100包括隔水管12、钻杆13、连接到隔水管12上的隔水管单元部件101及处理模块102。

隔水管12包括多个隔水管单元126，且两个相邻隔水管单元126通过连接器127相互连接。为了简洁起见，仅有两个相邻的隔水管单元被图示以编号126，且仅有一个连接器被图示以编号127。

隔水管12与隔水管单元部件101具有用于容纳所述钻杆13的通道14。钻杆13被装配到海上设备19上，如海上平台(offshore platform)或者钻井船(a drill ship)上。在钻井操作中，钻井液15被引导到井孔18，钻杆13顶端的钻头(未示出)旋转以在海床202下进行钻孔，返回自井孔18的流体16穿过由隔水管单元部件101、隔水管12和钻杆13形成的环形空间104。

所述隔水管单元部件101包含用于发送第一超声信号来获得第一超声数据的第一超声模块111以及用于发送第二超声信号来获得第二超声数据的第二超声模块112，其中，第一超声信号的波束方向垂直于通道14的轴线，第二超声信号的波束方向倾斜于通道14的轴线。处理模块102接收第一超声数据和第二超声数据，并获得与钻杆13有关的第一信息和与自井孔18返回的流体16有关的第二信息。隔水管单元部件101和处理模块102已在参照图1至图3所示的实施例中进行描述，在本实施例中不再详述。

在一些实施例中，钻井系统100包括BOP 17。BOP 17在钻探井孔和完井作业期间被使用，以保护钻探和操作人员及井场和设备免受井涌的破坏。通常，BOP 17包括一个或一组远程控制阀，其可在井压发生意料之外的增加时，关闭井孔18。在一些实施例中，BOP 17接近于隔水管单元部件101，例如一个或数个隔水管单元126设置在BOP17和隔水管单元部件101之间。

在一些实施例中，显示模块(未示出)设置在海面201上，用于显示由处理模块102获得的第一信息和/或第二信息。在一些实施例中，显示模块设置在海上设备19上。在一些实施例中，显示模块包括但不仅限于平台计算机(surface computer)。

请参照图1、图4和图5，图5是根据本发明一个实施例的钻井系统100的监测方法500的流程示意图。所述方法500包括步骤501、502、503和504。

在步骤501中，流体16通过由钻井系统100的钻杆13和隔水管单元部件101形成的环形空间104。

在步骤502中，第一超声信号由第一超声模块111发送，以获得第一超声数据。

在步骤503中，第二超声信号由第二超声模块112发送，以获得第二超声数据，其中，第一超声信号的波束方向301垂直于隔水管单元部件111的轴线402，第二超声信号的波束方向302倾斜于隔水管单元部件111的轴线402。需要说明的是，一般而言，步骤501、502和503之间并没有特定的顺序。

在步骤504中，与钻杆13相关的第一信息和与流体16相关的第二信息由处理模块102基于第一超声数据和第二超声数据获得。在一些实施例中，第一信息和第二信息通过显示模块在海面201上显示。

在一些实施例中，第一信息基于第一超声数据和第二超声数据获得。在一些实施例中，第二信息基于第二超声数据获得，第一信息基于第二信息和第一超声数据获得。

在一些实施例中，第二信息基于第一超声数据和第二超声数据获得。在一些实施例中，第一信息基于第一超声数据获得，第二信息基于第一信息和第二超声数据获得。

在一些实施例中，针对钻杆13的不可剪切部分的警告基于所述第一信息被生成。

虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。